Μοριακός διακόπτης και υγρή βιοψία για πρώιμη διάγνωση καρκίνου του πνεύμονα

Ο καρκίνος του πνεύμονα είναι ο δεύτερος σε συχνότητα καρκίνος (πρώτος στους άνδρες και δεύτερος στις γυναίκες) και πρώτος σε θανάτους. Τα πολύ μεγάλα ποσοστά θνητότητας οφείλονται κυρίως στην καθυστερημένη διάγνωση, καθώς τα συμπτώματα εμφανίζονται σε προχωρημένο στάδιο και συχνά είναι τέτοια (βήχας) που δεν δημιουργούν αίσθημα κινδύνου στους ασθενείς που θα τους οδηγήσουν σε διερεύνηση. "Κλειδί" για την αύξηση των ποσοστών επιβίωσης των ασθενών αποτελεί η έγκαιρη διάγνωση στα πρώτα στάδια, που θα επιτρέψει και την έγκαιρη έναρξη θεραπείας.

Δύο διεπιστημονικές φοιτητικές ομάδες, από το ΑΠΘ και το Πανεπιστήμιο Πατρών αξιοποιούν τεχνικές συνθετικής βιολογίας και μέσα από δύο καινοτόμα project προτείνουν δύο μη επεμβατικές και οικονομικές μεθόδους έγκαιρης διάγνωσης του μη μικροκυτταρικού καρκίνου του πνεύμονα, μέσα από ανάλυση δειγμάτων αίματος.

Οι δύο ομάδες - ΙGEM MetaThess και Patras Medicine iGEM 2022 - περιέγραψαν τον τρόπο λειτουργίας των μεθόδων τους στο πλαίσιο επιστημονικής ημερίδας της Ελληνικής Εταιρείας Έρευνας για την Πρόληψη του Καρκίνου (CPRG Greece). Τώρα ετοιμάζουν τις βαλίτσες τους για το Παρίσι, όπου στο τέλος του μήνα θα παρουσιάσουν τις προτάσεις τους στον παγκόσμιο διαγωνισμό συνθετικής βιολογίας IGEM, με εκατοντάδες συμμετοχές από όλο τον κόσμο.

Μοριακός διακόπτης από το DIAS

Ένα φωτεινό (φθορίζον) σήμα στην μικροπλακέτα που περιέχει τις σταγόνες αίματος λειτουργεί ως μοριακός διακόπτης και ειδοποιεί για την υπερέκφραση κάποιων μικρομορίων RNA. Η περαιτέρω ανάλυση οδηγεί σε ένα διαγνωστικό σκορ για την πιθανότητα ύπαρξης καρκίνου και παραπέμπει τον πολίτη στον ειδικό γιατρό για περαιτέρω εξετάσεις. Αν ο διακόπτης δεν "ανάψει" οι τιμές είναι φυσιολογικές.

Αυτός είναι σε απλουστευμένη μορφή ο τρόπος λειτουργίας του project DIAS (Diagnostic Investigation Accurate System) που ανέπτυξε η IGEM MetaThess του ΑΠΘ, που αποτελείται από 7 μεταπτυχιακούς φοιτητές και μια υποψήφια διδάκτορα του Τμήματος Φαρμακευτικής, με επιστημονικό υπεύθυνο τον αναπληρωτή καθηγητή Μοριακής Βιολογίας και Μοριογονιδιωματικής, Ιωάννη Βιζιριαννάκη.

Το project συνδυάζει καινοτόμες τεχνολογίες όπως η τρισδιάστατη εκτύπωση (3D printing), η τεχνολογία των μικρορευστών (microfluidics) καθώς και το σύστημα CRISPR-Cas13, με στόχο την ανάπτυξη ενός μη επεμβατικού εργαλείου με υψηλή ευαισθησία και ειδικότητα, αλλά και χαμηλό κόστος, το οποίο θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί εύκολα από τα διαγνωστικά κέντρα χωρίς την ανάγκη ύπαρξης εξειδικευμένου προσωπικού.

Η φαρμακοποιός, μεταπτυχιακή φοιτήτρια στην Ιατρική του ΑΠΘ και μέλος της ομάδας, Ιωάννα Γουλιού, περιέγραψε τα βήματα που ακολουθήθηκαν και τον τρόπο λειτουργίας της μεθόδου: Μέσα από μια λίστα μικρομορίων RNA επιλέχτηκε ένας βιοδείκτης, ο οποίος ανιχνεύεται στο αίμα τόσο των υγιών ατόμων όσο και των ασθενών, με τη διαφορά ότι στους ασθενείς υπερεκφράζεται, δηλαδή υπάρχει σε μεγαλύτερη συγκέντρωση.

Επιλέχθηκε μια συγκεκριμένη μεθοδολογία ανίχνευσης των συγκεκριμένων βιοδεικτών, μέσω μιας πρωτεϊνης, η οποία ανιχνεύει στο δείγμα το μόριο - στόχο και συνδέεται μαζί του εκλεκτικά μέσω συμπληρωματικότητας. "Αλλάζει διαμόρφωση της πρωτεϊνης και ξεκινάει να κόβει ανεξέλεγκτα μόρια μονόκλωνων RNA, τα οποία βρίσκονται στο περιβάλλον της αντίδρασης. Για τον σκοπό αυτό εμείς προσθέσαμε και ένα μόριο ανιχνευτή, ένα μόριο reporter όπως λέγεται, το οποίο αποτελείται από μια φθορίζουσα ομάδα, ένα μικρό μονόκλωνο τμήμα RNA και έναν αποσβέστη", είπε η κ. Γουλιού και πρόσθεσε: "Όταν στο περιβάλλον της αντίδρασης υπάρχει ο βιοδείκτης μας, η πρωτεϊνη συνδέεται με τον βιοδείκτη, ενεργοποιείται η ικανότητα κοπής της και έτσι ο reporter κόβεται, με αποτέλεσμα να απελευθερώνεται μια φθορίζουσα ομάδα κι εμείς να λαμβάνουμε κάποιο φωτεινό σήμα. Στην αντίθετη περίπτωση, ο αποσβέστης απορροφάει την ακτινοβολία η οποία εκπέμπεται από την φθορίζουσα ομάδα και έτσι δεν λαμβάνουμε κάποιο σήμα".

Η αντίδραση αυτή πραγματοποιείται ταυτόχρονα σε πολυάριθμες σταγόνες, οι οποίες έχουν όγκο της τάξης μεγέθους κυττάρου. Αυτές βρίσκονται σε μια πλακέτα μικρορευστών, την οποία η ομάδα δημιούργησε με τρισδιάστατη εκτύπωση. Ακολουθεί επεξεργασία των ύποπτων δειγμάτων με τη βοήθεια ενός μικροσκοπίου φθορισμού και με τη χρήση αλγόριθμων προκύπτει ένα διαγνωστικό σκορ.

Διάγνωση σε 70 λεπτά με το syn-PNOIA

Ο συνδυασμός της τεχνολογίας της υγρής βιοψίας με την συνθετική βιολογία αποτέλεσε οδηγό για το project "Syn-PNOIA" της ομάδας Patras Medicine iGEM 2022. Το καινοτόμο διαγνωστικό εργαλείο αποτελείται από μια γραμμική νανοδομή DNA που μπορεί να ανιχνεύσει ένα panel υπερεκφρασμένων κυκλικών RNA που εκκρίνονται στο αίμα των ασθενών με καρκίνο του πνεύμονα. Το εργαλείο υπόσχεται διάγνωση, σε μόλις 70 λεπτά, χωρίς εξειδικευμένο εργαστηριακό εξοπλισμό. Σύμφωνα με τα μέλη της ομάδας, η έγκαιρη διάγνωση που παρέχεται με αυτήν την τεχνική μπορεί να αυξήσει την πιθανότητα επιβίωσης ενός ασθενούς έως και 80%.

Η Patras Medicine iGEM 2022, αποτελείται από 14 φοιτητές –από προπτυχιακούς ως μεταδιδακτορικούς- φοιτητές διάφορων τμημάτων του Πανεπιστημίου Πατρών.

Όπως ανέφερε ο Ελευθέριος Μπόχαλης, προπτυχιακός φοιτητής Φαρμακευτικής, το μη επεμβατικό διαγνωστικό τεστ που ανέπτυξε η ομάδα προτείνεται για την ανίχνευση του μη μικροκυτταρικού καρκίνου του πνεύμονα σε άτομα με αυξημένο επίπεδο κινδύνου, όπως για παράδειγμα χρόνιοι καπνιστές και άτομα που δουλεύουν σε εργαστηριακά περιβάλλοντα με αυξημένες καρκινογόνες ουσίες. Είναι μια μέθοδος screening που έχει στόχο την πρώιμη διάγνωση και την αύξηση της πιθανότητας επιβίωσης του ασθενή.

Η πρόταση στηρίζεται στη μεθοδολογία της υγρής βιοψίας, που στηρίζεται στη δειγματοληψία και στην ανάλυση βιολογικών υγρών για την διάγνωση και παρακολούθηση καρκινικών όγκων.

Ως βιοδείκτες επιλέχθηκαν τα κυκλικά RNA που εκκρίνονται στην κυκλοφορία. Η αυξημένη ή μειωμένη έκφρασή τους έχει σημαντικό και καθοριστικό ρόλο για την έναρξη και την εξέλιξη του όγκου. Φέρουν σημαντική σταθερότητα λόγω της κυκλικής τους δομής και έχουν αυξημένη συγκριτικά με άλλους βιοδείκτες συγκέντρωση στο αίμα.

"Μέσα σε μόλις 70 λεπτά μπορούμε να κάνουμε ανίχνευση και ποσοτικοποίηση των κυκλικών RNA σε ένα βιολογικό υγρό ή σε μια ιστολογική βιοψία", είπε ο κ. Μπόχαλης, ενώ περιέγραψε τον τρόπο λειτουργίας της μεθόδου και πώς το δείγμα στείλει το σήμα για περαιτέρω εξέταση.

"Αν καταφέρει να ενταχθεί μια τεχνική screening στο ετήσιο αιματολογικό check up σίγουρα θα ήταν πιο εύκολο να βρούμε τον καρκίνο του πνεύμονα στα αρχικά του στάδια", κατέληξε.